第10章功率合成与分配课件

第10章功率合成与分配2常用方法：3传输线变压器、传输线定向耦合器和1/4波长传输线等。功率合成与分配是相互联系的，用作功率合成的晶体管，必须通过功率分配而得到激励信号。合成网络与分配网络的结构是相同的，其区别不过是信号源与负载相互调换了位置。第一节4传输线变压器功率合成与分配特点：频带宽、结构简单、插入损耗小；用于VHF频段、小功率等级。一、 功率合成网络561、A端和B端同时加入同频、同相、

大小相等的高频信号7流过RA

的电流为IA

，流过RB的电流为IB。由传输线理论可知，若终端匹配并忽略传输线本身的损耗时，流过两绕组的电流大小相等，但相对于同名端而言方向相反，即一个流入同名端，一个流出同名端。传输线变压器功率合成网络等效电路8∵uSA=

uSB

=u

，RA=

RB

=

R，IA

=

IB

=

I，UA

=

u-

IA

RA=

u-

I

R，UB

=

u-

IB

RB=

u-

I

R，∴UA=UB，UAB=0，I2

=0，I1=

IA=IB

=

I，RD上得到的功率PD

=09在匹配的状态下（RC

=

R/2），每一

信号源送出的功率为I2R（I为有效值），负载RC得到的功率为PC

=（2

I1）2RC=（2I）2R/2=2

I2

R，为A、B两点注入功率之和。C点对地电压

：UC

=2IR/2=

IR∵u

I=2

I2R，u

=2

IR∴UA=UB

=

u-IR=2

IR-

IR=

IR=

UC

，说明A、B、C三点同电位。102、

A端和B端同时加入同频、同相、大小不等的高频信号变压器两绕组的匝数相等，分析时可认为两绕组的电压大小相等，电流相等（相对于同名端而言方向相反）。11根据等效电路图可得到以下关系（注意：矢量关系）：12IA=

I1+

I2IB=

I1-I2，（1-1）（1-2）UA

=

UAC

+2I1RC=

UAC+

I1RUB

=

UBC

+2I1RC=

-UCB+

I1R（1-3）（1-4）将式（1-3）和（1-4）相加，得13UA+UB

=2I1R∴I1=（UA+UB）/2R（1-5）（1-6）而由RD支路可知：

I2=（UA-UB）/2R（1-7）功率关系：设两信号源对外供出的功率分别为14A

APA=

U2

/R

和P

=

U2B

B

C/R

，R

上得到的功率

PC

：PC

=（2I1）2RC=

[2（UA+UB）/2R]2

R/2=1/2

（U2A/R

+

U2BA

B/R

）+

U

U

/R=1/2

（PA

+PB）+（1-8）在RD上得到的功率PD：15PD（1-9）由（1-8）和（1-9）可知，当UA=UB时，PA

=PB，16PC

=

PA

+PB

=

2P，PD

=0当信号源的幅度不相等，例如令PA=2PB，17尽管相差2倍，经计算可知，PC=2.9

PB(占全部功率的96.67%),

PD

=0.1

PB(占全部功

率的3.33%)，负载仍能得到绝大部分功率。在PB

=0（或PA

=0）的特殊情况下，则，PC

=0.5

PA，PD

=0.5

PA，即RC和RD各得到一半功率。这种情况代表利用两个晶体管进行同相功率合成时，其中一管损坏，其输出功率为0。另一管的输出功率只有一半送给负载PC，另一半消耗在RD上，负载上得到的功率只有双管工作时的1/4。183、

A端和B端同时加入同频、幅度相同、相位不同的高频信号19设两信号源对外供出的功率分别为PA=U2A

B

B/R和

P

=

U2

/R

两个高频信号之间的相位差为θ。RC上得到的功率

PC

：20PC（1-10）RD上得到的功率PD：PD(1-11)若θ=300,21(占94.5%)则PC

=PB

+0.89PB=1.89

PBPD

=

PB

+0.89PB=0.11

PB(占5.5%)特例：θ=1800（即反相激励），则根据（1-10）和

(1-11)PC（1-12）PD（1-13）此时，信号功率将在RD上合成，如PA=PB，RC上得到的功率为0。22二、 功率分配网络（一）、同相功率分配23同相功率分配网络（RC为信号源内阻、RA和RB

可视为两晶体管放大器的输入阻抗，RD是平衡电阻）24忽略RC后的等效电路25在匹配状态下，得到下列关系：26IA=

I1-I2IB=I1+I2，（1-1

4）（1-15）∵UAC

+

U=

IARA

及UCB

+

IBRB

=U得UAC

=

IARA-

UUCB

=-IBRB

+U（1-16）（1-17）（1-16）与（1-17）相加：UAC

+

UCB

=

UAB

=

IARA

-IBRB=

I2RD（1-18）（1-16）与（1-17）相减：27IARA-

2U

+IBRB

=

0(UAC

=UCB)（1-19）将式（1-16）—

（1-19）联立，解得四个电流分别为IA

=2U(RD+2RB)/(

RARD+

RBRD

+4

RARB

)(1-20)IB

=

2U(RD+2RA)/(

RARD+

RBRD

+4

RARB

)(1-21)I1

=2U(RA+

RB+RD)/(

RARD+

RBRD

+4

RARB

)(1-22)I2=2U(RA-

RB)/(

RARD+

RBRD

+4

RARB

)(1-23)28(R=Z0,为传输29令RA

=nR,

RB

=R,

RD

=2R线的特性阻抗)，得：IA

=4U

/

(3n+1)

RIB

=

2

(n+1)

U

/(3n+1)RI1

=

(n+3)

U

/

(3n+1)RI2=

(n-

1)

U

/

(3n+1)R(1-24)(1-25)(1-26)(1-27)根据式(1-24)和(1-25)，得：IA

=[2

/

(n+1)

]

IBI2=[

(n-

1) /

2（n+1）]

IB30（1-28）（1-29）PA

=

IA

2

RA={[2

/

(n+1)

]

IB

}2

nR=4n/(n+1)2

·IB

2R=[4n/(n+1)2]·PB(1-30)(1-PD

=

I2

2

RD

=(1/2)

·(n-1)2

/(n+1)2

·PB31)当n=1时，即RA

=

RB

=R

：IA

=

IB

，PA

=

PB

，PD

=0

，I2=0（1-32）若n=2,即RA和RB相差一倍，经过计算可知:RA和RB得到的功率分别占总功率的

45.8%和51.4%,总功率的2.8%消耗在平衡

电阻RD上。31（二）、反相功率分配反相功率分配网络及等效电路如图32这里，内阻为RD的信号源接在A、B之间，，RC为平衡电阻。与同相功率分配网络分析相似，可以得到IA

、IB

、I1

和I2的表达式

。如果

RA

=

RB

=R,

RC

=R/2时，PA

=

PB

（二者的高频电压相位相反）

，PC

=0。33第二节34带状线定向耦合器功率合成与分配一、3dB带状线定向耦合器35带状线定向耦合器是一个四端口器件，

线长为中心频率所对应的波长的1/4，各端口都接以匹配负载。若信号源由端口1接入，则端口2、4有输出，而3端没有输出。带状线定向耦合器结构示意图36带状线定向耦合器有如下特性：37（1）、若信号源由端口1接入,出端2是通过电磁耦合而输出能量，称为耦合端；

4端是靠传导而输出能量，称为直通端；3端无能量输出，称为隔离端。（2）、

2端输出电压与输入端1输入电压同相，电压大小之比称为电压耦合系数

K0=

|U2/U1|，，其功率与输入功率之比，0

0

2

1称为功率耦合系数C0=

K2

=

|U

/U

|2，通常用dB表示为：C0=10

lg|U2/U1|2

(2-2)根据带状线理论，即

：P2=0.5P1

,

用dB表示的耦合度：20

lg

|U2/U1|=10

lg

|U2/U1|2=-3dB（2-3）38（3）、输出端4的

U4与U1的关系：39U4

（2-4）P4/

P1=

|U4/U1|2=0.5

,

10

lg

P4/

P1

=-3dB(2-6)(4)

、2端的输出功率与隔离端3的输出功率之比，称为定向耦合器的定向系数，通

常用dB表示为：D=10

lg

|U2/U3|2

=

10

lg

P2/P3

dB(2-7)在理想情况下，U3=0，D为无穷大。实用中一般对D提出一个起码的要求，例

如要求大于35

dB。40（5）、电压驻波比（VSWR）：

电压驻波比的定义为：VSWR=（入射波电压+反射波电压）/（入射波电压-反射波电压）

(2-8)取决于各端的匹配程度，一般要求小于1.1

(相当于反射电压小于0.0476入射电压)。41二、3dB带状线定向耦合器功率合成与分配42（一）、功率分配3

dB定向耦合器功率分配43将输入信号U1（振幅值）加于端口1，各端口功率关系如下：441

1P1=

U

2/2RP2==

(1/2)

P1P3=0P4= =

(1/2)

P12端和4端各分得一半的输入功率,实现了功

率分配(但电压相位差900)（二）功率合成45将两个相位差900的信号源分别加在3dB定向耦合器的两个相互隔离端,例如2端

和4端,则可实现在3端的功率合成。3

dB定向耦合器功率合成46,,

对于u2而设言,1端为耦合端,得到同相的耦合电压U′1而3端为直通端,得到落后900的直通电压U′347对于u4而言,

3端为耦合端,得到同相的耦合电压，而1端为直通端,得到落U3

=

U4”后900的直通电压U”1=

U448因此,在两个电源的共同作用下,当U2=U4=U时：1

1

11端的输出电压为U1=U′

+U”

=U2

+

U4

=0，3端的输出电压为U33=U′3

+U”

=3U2

+

U4=U。49端口2和4输入功率分别为：P2=

(1/2)

U2

/R

，

P4=

(1/2)

U2/R1端输出功率为P1=0；3端输出功率为P3=(1/2)（U）2

/

R=2

P2=

2P4当U2和U4相位差900，但U2≠U4时，会

有少量的功率传到1端的吸收电阻而被消耗掉。50第三节 调频与电视广播用51双工器与多工器调频广播或电视广播发射机，可借助双工器或多工器，实现不同频率的信号功率52的合成，共用一条馈线和一套天线。一、等臂3

dB

桥双工器和多工器53（一）、等臂3

dB

桥滤波式双工器分别将两个3dB耦合器和滤波器对臂连接成桥式，构成桥式双工器。滤波器可分为带阻式（陷波式）和带通式两种。1、等臂3

dB桥带阻式双工器54等臂3

dB桥带阻式双工器构成55图像信号由3

dB定向耦合器I送入，经

耦合器I进行功率分配（两路电压相差900），两个带阻（对伴音而言）滤波器对图像信号来说无影响，可以畅通无阻地通过，两路相差900的图像电压，通过耦合器II，在天线端实现功率合成。56伴音信号由3dB定向耦合器II送入，

经进行功率分配，两路电压相差900，沿着等臂长向两个带阻(对伴音而言)滤波器传去，

形成全反射后又返回耦合器II，也在天线端进行功率合成。57带阻滤波器并非理想，漏过的伴音信

号送入耦合器I，在吸收电阻R0上合成而消耗掉，而不会送到图像发射机。等臂3

dB桥带阻式双工器既实现了在天线上的功率58合成，又使图像发射机和伴音发射机相互隔离。2、等臂3

dB桥带通式双工器59等臂3

dB

桥带通式双工器构成60与等臂3

dB桥带阻式双工器不同，一是将图像与伴音信号的位置相互对调，二是两个滤波器对伴音信号是带通（对图像来说是带阻）。分析方法同上，在正常工作情况下，图像与伴音信号在天线合成。613、实用的电视广播双工器有效抑制fv

–4.43MHz（fv为图像载波频率）频率成分，降低对邻频道的干扰，

是实际的图像与伴音双工器要考虑的问题。6263组成部分：3dB定向耦合器I和II，两个伴

音反射器，两个（fv

–4.43MHz）频率成分64反射器，一个吸收电阻R0。工作原理如下：65图像信号：由3dB定向耦合器I的1端输

入，由2端和4端输出两路差相900的信号。反射元件对图像信号呈并联谐振，故无反射而直接送到3dB定向耦合器II的1端和3端，在耦合器II的4端功率合成而送往天线，在2端相互抵消，不影响伴音发射机。伴音信号：由3dB定向耦合器II的2端

输入，经3dB定向耦合器II的1端和3端输出两路差相900的信号，由于伴音反射器对伴音信号呈短路状态，两路信号在此形成全反射，又返回3dB定向耦合器II的1端和3端，最后在3dB定向耦合器II的4端功率合成而送往天线，在2端相互抵消而不返回伴音发射机。66实际上伴音反射器对伴音信号不可能实现理想全反射，回有少量的功率传到3dB定向耦合器I，如果漏过去的功率相同，二者将在耦合器I的1端相互抵消而不会影响图像发射机，在耦合器I的3端相叠加，被吸收电阻吸收。67图像发射机送来的图像信号中的fv–4.43MHz频率成分，经fv–4.43MHz反射器全反射后，返回耦合器I的2端和4端，最后在1端相抵消而不送回图像发射机，在3端

叠加而被吸收电阻吸收。68（二）、等臂3

dB

桥滤波式多工器69由两个等臂3

dB

桥可构成三工器

，可

以实现三种不同频率的信号合成，例如一套电视节目的图像与伴音以及一套调频节目的功率合成。1、等臂3

dB

桥带阻式三工器70等臂3

dB

桥带阻式三工器原理图71第一个3

dB

桥中的滤波器对伴音信号

来说是带阻，对图像信号来说是带通；伴音和图像信号先在第一个3

dB

桥中合成后，送入第二个3

dB

桥，再与FM信号在天线合成。第二个3dB

桥中的滤波器对FM信号是带阻，对图像与伴音信号来说是带通。722、等臂3

dB

桥带通式三工器73等臂3

dB

桥带通式三工器原理图74二、星形双工器75最简单的星形双工器适用于调频广播发射机。陷波器组成的星形双工器76陷波器N2对信号f1呈现高阻抗，而陷

波器N1对信号f1形成串联谐振，呈现极低阻抗，相当于λ1/4传输线的负载为0，其输入阻抗为无穷大，即图的右侧部分对信号f1呈现高阻抗，促使信号f1直接送往天线；同理，图的左侧部分对信号f2呈现高阻抗，促使信号f2直接送往天线。77也可用带通滤波器构成星形双工器，它

由f1和f2带通滤波器和一个分支电路组成。78带通滤波器组成的星形双工器